锗锡隧穿场效应晶体管应变工程和异质结工程研究

摘要

隧穿场效应晶体管（Tunneling Field-effect Transistor，TFET）在室温下可实现60mV/decade的亚阈值摆幅（SS），在超低工作电压下，比如0.3伏，TFET可获得比MOSFET器件更高的工作电流。因此，TFET是实现超低功耗芯片的备选器件结构。目前，基于锗锡（Germanium-Tin,GeSn）材料的TFET器件是微电子研发的热点。GeSn合金在Γ点禁带宽度在0~0.8eV范围内连续可调，当锡(Sn)组分增加到6.5~11％时，材料能带结构从间接带隙转变成直接带隙。基于以上材料特性，GeSnTFET器件展现出相较于其它Ⅳ族、甚至Ⅲ-Ⅴ族材料TFET更优异的器件性能。本文从理论层面深入研究了应变和异质隧穿结对GeSn TFET器件电学性能的提升作用。
　　文章详细研究应变对GeSn材料能带结构、有效质量等参数的影响，基于Kane模型对应变和弛豫的GeSnTFET器件进行电学性能模拟和对比分析。结果显示，通过在器件中引入张应变可以有效提高器件带间隧穿的产生机率，提高器件的工作电流，而且研究结果表明这种提升作用与沟道晶面取向相关。本文利用经验赝势方法计算了GeSn和SiGeSn能带结构，利用Ge1-xSnx/Ge1-ySny Ⅰ型异质结设计了异质结增强型TFET器件结构，并对器件的电学性能进行详细模拟计算。发现隧穿结与异质结之间的距离LT-H对器件电学性能有明显影响，通过优化LT-H，可以显著提供器件电学性能。理论分析显示增强型Ⅰ型异质结可以显著缩短器件带间隧穿路径，从而提高器件隧穿几率和工作电流。本文对带有GeSn/SiGeSn Ⅱ型异质隧穿结的TFET器件进行了结构设计和详细的电学性能模拟。通过调整材料组分形成晶格匹配的Ⅱ型GeSn/SiGeSn异质隧穿结，带有GeSn/SiGeSn异质隧穿结的TFET获得了明显优于GeSn同质结器件的电学性能。通过分析器件的载流子分布特性，发现Ⅱ型异质结可以有效提高隧穿结处载流子浓度，并使载流子分布更加陡峭，从而提升器件带间隧穿效率和工作电流。

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1 绪 论

1.1 GeSn TFET的研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和研究内容

2 能带计算及器件模拟方法

2.1 锗锡（GeSn）、硅锗锡（SiGeSn）能带计算方法

2.2 器件性能模拟

3 GeSn TFET 应变工程

3.1应变对能带结构的影响

3.2应变GeSn TFET仿真

3.3 总结

4异质结增强型Ge1-xSnx/Ge1-ySny TFET

4.1 Ge1-xSnx/Ge1-ySnyI型异质结

4.2 Ge1-xSnx/Ge1-ySnyHE-TFET器件仿真

4.3 HE-PTFET电学性能仿真结果分析

4.4 总结

5 GeSn/SiGeSn II型异质隧穿结TFET

5.1 晶格匹配的GeSn/SiGeSn II型异质结

5.2 GeSn/SiGeSn hetero-TFET：N沟道器件

5.3 SiGeSn/GeSn hetero-TFET：P沟道器件

5.4 总结

6 总结与展望

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间所发表的论文：

B 作者在攻读硕士学位期间所授权专利：

C程序（一）

D程序（二）